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Wenn eine Lampe angeht, Wasser kocht, ein Fahrrad fährt oder ein Telefon aufgeladen wird, wird Energie übertragen oder umgewandelt. In der Physik ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten oder Veränderungen herbeizuführen.
Energie lässt sich an ihren Wirkungen erkennen: Ein Objekt bewegt sich, die Temperatur ändert sich, Licht erscheint, Geräusche werden erzeugt oder elektrische Ladung fließt.
Wirkt eine konstante Kraft parallel zur Verschiebung eines Objekts, beträgt die durch mechanische Arbeit übertragene Energie:
Für die folgenden Rechnungen verwenden wir das Internationale Einheitensystem (SI). Dadurch bleiben die Einheiten von Kraft, Verschiebung und Energie aufeinander abgestimmt.
Symbolanleitung:
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
| Arbeit oder übertragene Energie | ||
| Kraft | ||
| Verschiebung |
Eine Kiste wird mit einer Kraft von um in Kraftrichtung verschoben. Die dabei durch Arbeit übertragene Energie beträgt:
Durch das Schieben werden also Energie auf die Kiste übertragen.
Wirkt eine Kraft, ohne dass sich das Objekt verschiebt, beträgt die mechanische Arbeit an diesem Objekt . Die schiebende Person verbraucht trotzdem Stoffwechselenergie und kann ermüden, aber das ruhende Objekt erhält keine Energie durch eine Verschiebung.
Im SI ist die Einheit für Energie das Joule mit dem Symbol . Da Energie aus Kraft mal Verschiebung berechnet werden kann, kann ein Joule wie folgt gelesen werden:
Das Joule ist die abgeleitete SI-Einheit der Energie. Ein Joule entspricht einem Newtonmeter oder einem Kilogramm-Meterquadrat pro Sekundequadrat. NIST SP 330
NIST-Glossar
Energie kann von einer Quelle auf ein Gerät übertragen werden. Das Gerät kann sie dann in eine Nutzenergie wie Licht, Bewegung, Wärme oder Strom umwandeln.
In einem Solarpanel wird Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt. Bei der Wasserkraft wandelt sich die potentielle Gravitationsenergie des Wassers in Turbinenbewegung und dann in elektrische Energie um. Im Körper hilft die chemische Energie aus der Nahrung den Muskeln bei der Arbeit.
Energie beantwortet die Frage, wie viel Energie übertragen oder umgewandelt wird. Leistung beantwortet die Frage, wie schnell dieser Vorgang abläuft.
Aus dieser Gleichung kann Energie wie folgt geschrieben werden:
Die Leistungseinheit ist Watt mit dem Symbol . Ein Watt bedeutet pro .
Der Schreibstil entscheidet über die Bedeutung: Kursiv steht gewöhnlich für Arbeit, aufrecht dagegen für die Einheit Watt.
Aus diesem Grund wird auf der Stromrechnung oder Kilowattstunde angegeben. Auch wenn die Einheit Watt enthält, ist eine Energieeinheit, keine Leistungseinheit.
Eine Lampe mit Leistung, die lang eingeschaltet bleibt, verbraucht:
Bleibt dieselbe Lampe länger eingeschaltet, erhöht sich ihr Energieverbrauch. Bei höherer Leistung erhöht sich für die gleiche Dauer auch der Energieverbrauch.
Um ein erneuerbares Energiesystem zu analysieren, bestimme die Energiequelle, verfolge jede Umwandlung und vergleiche die nutzbare Ausgangsenergie mit der zugeführten Energie.
| Situation | Physikfrage |
|---|---|
| Auf einem Dach sind Solarmodule installiert | Wie viel Lichtenergie wird zu elektrischer Energie? |
| Fließendes Wasser dreht eine Turbine | Wie viel kinetische Energie des Wassers kann auf einen Generator übertragen werden? |
| Jede Nacht gehen die Lampen zu Hause an | Wie viel elektrische Energie wird in verbraucht? |
| Kraftstoff verbrennt im Motor | Wie viel chemische Energie wird in Bewegung und Wärme umgewandelt? |
Eine Energiequelle heißt erneuerbar, wenn natürliche Prozesse sie im menschlichen Zeitmaßstab nachliefern. Dazu gehören Sonnenlicht, Wind, fließendes Wasser, Erdwärme und nachhaltig bewirtschaftete Biomasse. Nicht erneuerbare Quellen bilden sich viel langsamer, als Menschen sie verbrauchen. Dazu gehören Kohle, Erdöl und Erdgas. EIA
Im Jahr kamen weltweit fast neue erneuerbare Erzeugungskapazität hinzu. Gigawatt bezeichnet die Nennleistung der neu hinzugefügten Anlagen. Die erzeugte Energiemenge hängt von der tatsächlich genutzten Leistung und der Betriebsdauer ab. IEA
Bei der Beurteilung einer Energieversorgung müssen Energie, Leistung und Energiequelle klar unterschieden werden.
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